谷氨酰胺酶，磷酸盐活化

Sahai（1983）在人血小板中证明了磷酸盐激活的谷氨酰胺酶（ EC 3.5.1.2 ）。它是从谷氨酰胺中产生谷氨酸的主要酶。该酶的重要性源于其可能涉及谷氨酸作为神经递质的行为障碍（Prusiner，1981）。Sahai 和 Vogel（1983）的研究表明血小板谷氨酰胺酶的高遗传性，他们发现单卵双胞胎的组内相关系数为 0.96，双卵双胞胎的组内相关系数为 0.53。

▼ 克隆与表达

通过筛选编码大脑中大蛋白质的 cDNA，Nagase 等人（1998）鉴定了编码 GLS 的 cDNA，他们将其命名为 KIAA0838。推导出的 669 个氨基酸蛋白质预计与大鼠肾谷氨酰胺酶有 94% 的相同性。RT-PCR 分析检测到普遍存在的表达，在大脑和肾脏中的表达水平最高。

通过用大鼠肾 Gls 探针筛选结肠癌 cDNA 文库，然后进行 5 素和 3 素 RACE，Elgadi 等人（1999）分离出编码 3 种 GLS 异构体的 cDNA，他们将其命名为 KGA、GAM 和 GAC。KGA 是 669 个氨基酸的肾同工型。GAC 是一种 598 个氨基酸的蛋白质，在 C 末端不同于 KGA。GAM 是一种 169 个氨基酸的蛋白质，在氨基酸 161 之前与 GAC 相同，并且包含一个独特的 8 个氨基酸 C 末端。Northern印迹分析揭示了4.8-和3.5-kb KGA转录本在肾脏中的表达。大脑中的 4.8-kb 转录本，在心脏中较弱；和胰腺中的 3.4-kb 转录本。一个 4.8-kb GAC 特异性转录本在心脏和胰腺中表达，在胎盘、肾脏和肺中表达水平较低。GAC 也是在具有高谷氨酰胺消耗的乳腺癌细胞系中表达的主要异构体。一个 2.6-kb GAM 特异性转录本仅在心脏和骨骼肌中表达。

▼ 基因功能

癌细胞中葡萄糖代谢的改变被称为 Warburg 效应，它描述了大多数癌细胞热衷于吸收葡萄糖并将其主要转化为乳酸的倾向，尽管有可用的氧气。癌细胞还依赖于持续的线粒体功能进行新陈代谢，特别是谷氨酰胺分解代谢谷氨酰胺以产生 ATP 和乳酸。谷氨酰胺高度转运到增殖细胞中，是生物合成的主要能量和氮源，也是癌细胞合成代谢过程的碳底物。高等人（2009）报道，已知可调节 microRNA 并刺激细胞增殖的 c-Myc（ 190080 ）致癌转录因子在转录上抑制 miR23a（ 607962））和 miR23b（ 610723 ），导致其靶蛋白线粒体谷氨酰胺酶（GLS）在人 P-493 B 淋巴瘤细胞和 PC3 前列腺癌细胞中的表达更高。这种效应导致谷氨酰胺分解代谢的上调。谷氨酰胺酶将谷氨酰胺转化为谷氨酸，其通过三羧酸循环进一步分解代谢以产生 ATP 或用作谷胱甘肽合成的底物。高等人（2009）得出结论，Myc 调节谷氨酰胺酶的独特方式揭示了 Myc 对 microRNA 的调节、谷氨酰胺代谢以及能量和活性氧物种稳态之间的先前未预料到的联系。

▼ 基因结构

通过基因组 DNA 序列分析，Elgadi 等人（1999）提出所有 3 种 GLS 同种型都是通过可变剪接从单个基因衍生而来的。

▼ 测绘

模拟等（1989）使用编码磷酸激活谷氨酰胺酶的一部分的大鼠 cDNA 克隆来鉴定体细胞杂种组中以及野生衍生和近交系小鼠之间的 DNA RFLP。体细胞杂交体中大鼠和小鼠染色体的分离表明分配给大鼠染色体 9 和小鼠染色体 1。在种间小鼠杂交中分析具有多个基因的染色体 1 等位基因更准确地表明 Gls 在小鼠染色体 1 上的位置。人仓鼠体细胞还检查了细胞杂交体的 RFLP，发现 4 个人类 EcoRI 限制性片段与大鼠谷氨酰胺酶探针杂交。这些限制性片段中的两个共同分离并且可以对应到 IDH1 附近的人类 2q（ 147700）在与小鼠 1 号染色体和大鼠 9 号染色体显示同源性（即保守同线性）的区域中。通过原位杂交，Modi 等人（1991）将 GLS 基因分配给 2q32-q34。通过辐射混合分析，Nagase 等人（1998）将 GLS 基因对应到 2 号染色体。

▼ 细胞遗传学

林奇等人（2018 年）报告了来自土耳其近亲家庭的 2 兄弟，他们在儿童期（7 岁）出现痉挛性共济失调，伴有视神经萎缩以及运动和语言技能丧失。两个男孩的 MRI 显示轻度小脑萎缩，大脑和脑干体积保持不变，白质信号正常。神经传导研究和肌肉活检正常。通过纯合子作图和全基因组测序的结合，Lynch 等人（2018）鉴定了涉及 GLS 基因外显子1的纯合拷贝数变体。复制导致 GLS 表达的完全敲除，这在从患者、他们的父母和 2 个无关对照的成纤维细胞系中提取的全细胞裂解物中得到证实。未报告血浆谷氨酰胺水平。复制大约为 8 kb，跨越外显子 1 和 GLS 上游区域的一部分和 GLS 基因的内含子 1 的一部分。断点发生在内含子 1-2 的高度同源区域（chr 2:191,750,021）和 5 素数非翻译区域（chr2:191,742,079）之间。

▼ 分子遗传学

发育性和癫痫性脑病 71

在来自 2 个无关家庭的 3 名患有致命性发育性和癫痫性脑病 71（DEE71; 618328 ）的患者中，Rumping 等人（2019）鉴定了 GLS 基因中的纯合或复合杂合突变（ 138280.0001 - 138280.0003 ）。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。预计这些突变会导致功能丧失，并且来自 1 个家庭（家庭 2）中受影响个体的新生 Guthrie 卡显示谷氨酰胺显着增加，与 GLS 功能丧失一致。

婴儿白内障、皮肤异常、谷氨酸过量和智力发育受损

Rumping 等人在患有婴儿白内障、皮肤异常、谷氨酸过量和智力发育受损的女孩中（2019）在 GLS 基因（ 138280.0004 ）中发现了一个杂合的从头错义突变。

全球发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高

在 3 名智力发育受损、进行性共济失调和血浆谷氨酰胺升高（GDPAG; 618412）的无关先证者中， van Kuilenburg 等人（2019）在 GLS 基因的 5 素非翻译区（UTR）中发现了一种新的三核苷酸（GCA）重复扩增（ 138280.0005 ）。在 1 名患者的纯合子中发现了重复扩增，并在具有错义突变（ 138280.0006 ）和 1 个碱基对重复（ 138280.0007 ）的复合杂合子中发生），分别在其他 2 名患者中。扩增导致表达减少和谷氨酰胺酶缺乏。击倒斑马鱼直系同源基因 glsa 和 glsl 的 1 个或两个会产生更小的体型、弯曲的身体和不同严重程度的心脏水肿。

▼ 等位基因变体（ 7个精选示例）：

.0001 发展性和癫痫性脑病 71
GLS，1-BP DUP，NT695
Rumping 等人对一个由近亲父母（家庭 1）出生的婴儿患有致命的发育性和癫痫性脑病 71（DEE71；618328）（2019）鉴定了 GLS 基因中的纯合 1-bp 重复（c.695dup，NM_001256310.1），预计会导致移码和过早终止（Asp232GlufsTer2）。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在包括 gnomAD 在内的公共数据库中未发现该变体。没有进行变体的功能研究和患者细胞的研究，但预计该突变会导致无义介导的 mRNA 衰变和功能丧失。患者出生后不久出现呼吸功能不全和难治性癫痫发作。脑电图显示爆发抑制模式。婴儿在生命的最初几周内死亡。该患者有类似受影响的同胞，但无法获得 DNA。

.0002 发展性和癫痫性脑病 71
GLS、GLN81TER
在来自一个家族（家族 2）的 2 名患有致死性发育性和癫痫性脑病 71（DEE71；618328）的患者中，Rumping 等人（2019）鉴定了 GLS 基因中的复合杂合突变：c.241C-T 转换（c.241C-T，NM_001256310.1），导致 gln81-to-ter（Q81X）取代和 c.815G-转换，导致 arg272-to-lys（R272K; 138280.0003）在保守残基上的取代。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在包括 gnomAD 在内的公共数据库中都没有发现。预测无义突变会导致无义介导的 mRNA 衰变和功能丧失，分子模型预测 R272K 变体会使蛋白质不稳定。患者出现新生儿难治性癫痫发作、癫痫持续状态、脑电图爆发抑制模式和呼吸衰竭。两人都在婴儿早期死亡。对患者新生儿 Guthrie 卡的分析显示，与对照组相比，谷氨酰胺水平显着增加，表明 GLS 功能丧失。

.0003 发展性和癫痫性脑病 71
GLS、ARG272LYS
讨论 GLS 基因中的 c.815G-A 转换（c.815G-A，NM_001256310.1），导致 arg272 到赖氨酸（R272K）取代，在 2 名患有复合杂合状态的患者中发现Rumping 等人的发育性和癫痫性脑病 71（DEE71; 618328 ）（2019），见138280.0002。

.0004 婴儿白内障、皮肤异常、谷氨酸过多和智力发育受损（1 名患者）
GLS、SER482CYS
在一名患有婴儿白内障、皮肤异常、谷氨酸过量和智力发育受损的 11 岁女孩中（CASGID; 618339 ），Rumping 等人（2019 年）在 GLS 基因中发现了一个杂合的 C 到 G 颠换（g.191795182C-G，NC_000002.11），导致半胱氨酸取代了丝氨酸 482（S482C）。突变作为从头事件发生，在 gnomAD、ClinVar 或 ExAC 数据库中未发现。酶活性的研究证明了功能的获得。

.0005 全球发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高
GLS,（GCA）n 重复扩展, 5-PRIME UTR
van Kuilenburg 等人在 3 名因谷氨酰胺酶缺乏症（GDPAG；618412）导致全球发育迟缓和进行性共济失调的无关先证者中（2019）使用基因组测序和三重重复引物 PCR 鉴定了 GLS 基因（chr2:191,745,599-191,745,646, GRCh37）的 5 素非翻译区（UTR）中的大 GCA 重复扩增。患者 1 是具有 680 个 GCA 重复和错义突变（P313L; 138280.0006 ）的等位基因的复合杂合子。患者 2 是重复扩增纯合子，1 个等位基因携带 900 个 GCA 重复，其他 1,400 个重复。患者 3 是 1,500 拷贝重复扩增和移码突变的复合杂合子（c.923dupA; 138280.0007）。所有突变均由未受影响的父母遗传。在 8,295 个非靶向基因组中，这种短串联重复的中位大小为 14 个重复，双峰流行为 8 和 16 个重复。在这 8,295 个分析的基因组中，1 个是杂合子的等位基因，重复次数超过 90 个，使得这种重复扩展的等位基因频率为 6.03 x 10（-5）。为了确定扩增是否影响相邻 GLS 启动子的组蛋白修饰，van Kuilenburg 等人（2019）在来自患者 1 和 2 以及对照的成纤维细胞中进行染色质免疫沉淀测定。他们观察到患者等位基因表现出转录活性区域的组蛋白修饰特征水平降低，并且富含转录沉默区域的组蛋白修饰特征。在携带 2 个扩展重复等位基因的患者 2 中效果更为显着。范奎伦堡等人（2019）得出结论，重复扩增会导致染色质构型发生变化，从而导致转录减少。作者在 3 名患者的成纤维细胞和淋巴细胞中检测到少量残留 GLS 活性，他们认为这可能是与更完全 GLS 缺乏的患者相比更温和的表型的原因（参见 DEE71, 618328）。

.0006 全球发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高
GLS、PRO313LEU
van Kuilenburg 等人研究了一名患有整体发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高（GDPAG; 618412）的女性（患者 1 ）（2019）鉴定了 GLS 基因（ 138280.0005 ）的 5 素 UTR 中 680 个拷贝的 GCA 重复序列和外显子 6 中核苷酸 938（c.938C-T, NM_014905）处的 C-to-T 颠换的复合杂合性，导致在密码子 313（P313L）处发生脯氨酸到亮氨酸的取代。这种错义变体在 gnomAD 中不存在，并且在父系等位基因上遗传，该等位基因携带 8 个 GCA 三核苷酸拷贝。

.0007 全球发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高
GLS，1-BP DUP，923A（rs1212883982）
van Kuilenburg 等人研究了一名患有整体发育迟缓、进行性共济失调和谷氨酰胺升高（GDPAG; 618412）的女性（患者 3 ）（2019）鉴定了 GLS 5 素 UTR GCA 重复序列（ 138280.0005 ）的 1,500 拷贝扩增和外显子 6 中的单碱基对重复（c.923dupA, NM_014905）的复合杂合性，导致 tyr308 到 ter（ Y308X）替代。c.923dupA 突变在母体等位基因上遗传，该等位基因携带 8 个 GCA 三核苷酸拷贝。该变体（ rs1212883982 ）在 gnomAD 中的等位基因频率为 3.984 x 10（-6）。